La química de polímeros es una subdisciplina de la química que se centra en las estructuras de las sustancias químicas, la síntesis química y las propiedades químicas y físicas de los polímeros y macromoléculas . Los principios y métodos utilizados en la química de polímeros también son aplicables a una amplia gama de otras subdisciplinas químicas como la química orgánica , la química analítica y la química física . Muchos materiales tienen estructuras poliméricas, desde metales y cerámicas totalmente inorgánicos hasta ADN y otras moléculas biológicas . Sin embargo, la química de los polímeros suele estar relacionada con composiciones sintéticas y orgánicas . Los polímeros sintéticos son omnipresentes en materiales y productos comerciales de uso cotidiano, como plásticos y cauchos , y son componentes importantes de los materiales compuestos . La química de polímeros también puede incluirse en campos más amplios de la ciencia de los polímeros o incluso de la nanotecnología , los cuales pueden describirse como abarcadores de la física y la ingeniería de polímeros . [1] [2] [3] [4]
El trabajo de Henri Braconnot en 1777 y el trabajo de Christian Schönbein en 1846 condujeron al descubrimiento de la nitrocelulosa , que al tratarse con alcanfor producía celuloide . Disuelto en éter o acetona , se convierte en colodión , que se ha utilizado como apósito para heridas desde la Guerra Civil estadounidense . El acetato de celulosa se preparó por primera vez en 1865. En los años 1834-1844 se descubrió que las propiedades del caucho ( poliisopreno ) mejoraban enormemente al calentarlo con azufre , fundando así el proceso de vulcanización .
En 1884 Hilaire de Chardonnet inició la primera planta de fibras artificiales a base de celulosa regenerada , o rayón viscosa , como sustituto de la seda , pero era muy inflamable. [5] En 1907, Leo Baekeland inventó el primer polímero independiente de los productos de los organismos , una resina termoestable de fenol - formaldehído llamada baquelita . Casi al mismo tiempo, Hermann Leuchs informó sobre la síntesis de N-carboxianhídridos de aminoácidos y sus productos de alto peso molecular tras la reacción con nucleófilos, pero no llegó a referirse a estos como polímeros, posiblemente debido a las fuertes opiniones adoptadas por Emil Fischer , su directo supervisor, negando la posibilidad de que cualquier molécula covalente supere los 6.000 daltons. [6] El celofán fue inventado en 1908 por Jocques Brandenberger, quien trató láminas de rayón viscosa con ácido . [7]
El químico Hermann Staudinger propuso por primera vez que los polímeros consistían en largas cadenas de átomos unidos por enlaces covalentes , a los que llamó macromoléculas . Su trabajo amplió la comprensión química de los polímeros y fue seguido por una expansión del campo de la química de polímeros durante la cual se inventaron materiales poliméricos como el neopreno, el nailon y el poliéster. Antes de Staudinger, se pensaba que los polímeros eran grupos de moléculas pequeñas ( coloides ), sin pesos moleculares definidos , mantenidas juntas por una fuerza desconocida . Staudinger recibió el Premio Nobel de Química en 1953. Wallace Carothers inventó el primer caucho sintético llamado neopreno en 1931, el primer poliéster , y luego inventó el nailon , un verdadero sustituto de la seda, en 1935. Paul Flory recibió el Premio Nobel de Química. en 1974 por su trabajo sobre configuraciones aleatorias de bobinas de polímeros en solución en la década de 1950. Stephanie Kwolek desarrolló una aramida o nailon aromático llamado Kevlar , patentado en 1966. Karl Ziegler y Giulio Natta recibieron el Premio Nobel por su descubrimiento de catalizadores para la polimerización de alquenos . Alan J. Heeger , Alan MacDiarmid y Hideki Shirakawa recibieron el Premio Nobel de Química de 2000 por el desarrollo del poliacetileno y polímeros conductores relacionados. [8] El poliacetileno en sí no encontró aplicaciones prácticas, pero los diodos orgánicos emisores de luz (OLED) surgieron como una aplicación de los polímeros conductores. [9]
En la década de 1940 se introdujeron programas de enseñanza e investigación en química de polímeros. En 1940 se fundó un Instituto de Química Macromolecular en Friburgo, Alemania, bajo la dirección de Staudinger. En Estados Unidos, Herman Mark estableció en 1941 un Instituto de Investigación de Polímeros (PRI) en el Instituto Politécnico de Brooklyn (ahora Instituto Politécnico de la Universidad de Nueva York ).
Los polímeros son compuestos de alta masa molecular formados por polimerización de monómeros . Se sintetizan mediante el proceso de polimerización y pueden modificarse mediante la adición de monómeros. Los aditivos de los monómeros cambian las propiedades mecánicas, la procesabilidad, la durabilidad, etc. de los polímeros. La molécula reactiva simple de la que se derivan las unidades estructurales repetidas de un polímero se llama monómero. Un polímero se puede describir de muchas maneras: su grado de polimerización , distribución de masa molar , tacticidad , distribución del copolímero , grado de ramificación , por sus grupos terminales , entrecruzamientos , cristalinidad y propiedades térmicas como su temperatura de transición vítrea y temperatura de fusión. Los polímeros en solución tienen características especiales con respecto a la solubilidad , viscosidad y gelificación . Como ilustración de los aspectos cuantitativos de la química de los polímeros, se presta especial atención a los pesos moleculares promedio en número y en peso , respectivamente.
La formación y las propiedades de los polímeros han sido racionalizadas por muchas teorías, incluida la teoría de Scheutjens-Fleer , la teoría de la solución de Flory-Huggins , el mecanismo de Cossee-Arlman , la teoría del campo de polímeros , la teoría de la nucleación de Hoffman , la teoría de Flory-Stockmayer y muchas otras.
El estudio de la termodinámica de los polímeros ayuda a mejorar las propiedades materiales de diversos materiales a base de polímeros, como el poliestireno (espuma de poliestireno) y el policarbonato . Las mejoras comunes incluyen endurecimiento , mejora de la resistencia al impacto , mejora de la biodegradabilidad y alteración de la solubilidad de un material . [10]
A medida que los polímeros se alargan y aumenta su peso molecular, su viscosidad tiende a aumentar. Por lo tanto, la viscosidad medida de los polímeros puede proporcionar información valiosa sobre la longitud promedio del polímero, el progreso de las reacciones y de qué manera el polímero se ramifica. [11]
Los polímeros se pueden clasificar de muchas formas. Los polímeros, estrictamente hablando, comprenden la mayor parte de la materia sólida: los minerales (es decir, la mayor parte de la corteza terrestre) son en gran medida polímeros, los metales son polímeros tridimensionales, los organismos, vivos y muertos, están compuestos en gran medida de polímeros y agua. A menudo los polímeros se clasifican según su origen:
Los biopolímeros son los materiales estructurales y funcionales que comprenden la mayor parte de la materia orgánica de los organismos. Una clase importante de biopolímeros son las proteínas , que se derivan de aminoácidos . Los polisacáridos , como la celulosa , la quitina y el almidón , son biopolímeros derivados de azúcares. Los ácidos polinucleares ADN y ARN se derivan de azúcares fosforilados con nucleótidos colgantes que transportan información genética.
Los polímeros sintéticos son los materiales estructurales que se manifiestan en plásticos , fibras sintéticas , pinturas , materiales de construcción , muebles , piezas mecánicas y adhesivos . Los polímeros sintéticos se pueden dividir en polímeros termoplásticos y plásticos termoestables . Los polímeros termoplásticos incluyen polietileno , teflón , poliestireno , polipropileno , poliéster , poliuretano , poli(metacrilato de metilo) , cloruro de polivinilo , nailon y rayón . Los plásticos termoestables incluyen caucho vulcanizado , baquelita , Kevlar y poliepóxido . Casi todos los polímeros sintéticos se derivan de productos petroquímicos .
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